陳淑華

(佛山市南海區(qū)九江水利所，廣東 佛山，528000)

0 引言

隨著城市化進程的加快，對水資源的不合理利用問題愈加突顯，制約著城市的可持續(xù)發(fā)展，為此進行以水系溝通、活化水體為目的的活水工程對于城市水系建設和維持至關重要[1]。九江鎮(zhèn)為廣東省佛山市南海區(qū)轄鎮(zhèn)，九江水系南北主涌排出口處于西江九江段下游水資源保護區(qū)范圍內(nèi)，水質(zhì)目標為Ⅱ類，主涌內(nèi)河水質(zhì)難以達標。在取水口進行水質(zhì)檢測時，南北主涌排口封閉導致九江鎮(zhèn)引水無法從排口排出，無法改善水質(zhì)，使得鎮(zhèn)區(qū)排澇及水資源調(diào)節(jié)體系受到很大程度的制約，九江水系優(yōu)化調(diào)整迫在眉睫。

現(xiàn)有關于城市水系治理的研究主要集中在水系連通調(diào)度[2－4]、水質(zhì)檢測及雨污治理[5，6]、水系空間規(guī)劃[7]、海綿城市水系與生態(tài)修復[8－10]等方面。在上述研究的基礎上為改善南北主涌、十三灣主涌水質(zhì)，本工程興建九江鎮(zhèn)沙口活水泵站，引入活水，增加英雄水系水量，增強水流動力，并從活水泵站工程設計與應用論證其在活水工程的價值，可為類似城市水系活化提供參考。

1 工程規(guī)劃及地質(zhì)概況

1.1 工程規(guī)劃

根據(jù)?南海區(qū)活水規(guī)劃報告?英雄水系活水規(guī)劃主要活水路線是通過人字水引水泵站、河清引水泵站與會龍閘加掛泵引水泵站引水，通往南北主涌，由沙口泵站排出至西江。但是南北主涌排出口(沙口泵站位置)處于鯉魚洲取水口等西江九江段下游水資源保護區(qū)范圍內(nèi)，該保護區(qū)范圍內(nèi)水質(zhì)目標為Ⅱ類，南北主涌內(nèi)河水質(zhì)難以達到該要求。如果鯉魚洲取水口進行水質(zhì)檢測時，南北主涌排口需要封閉，出現(xiàn)九江鎮(zhèn)引水無法從南北主涌排口排出，無法改善南北主涌的水質(zhì)，使得鎮(zhèn)區(qū)排澇及水資源調(diào)節(jié)體系受到很大程度的制約，此次水系優(yōu)化方案研究為后續(xù)鎮(zhèn)區(qū)水系整治調(diào)整提供重要依據(jù)。

在封閉南北主涌排口期間，本工程在沙口水閘內(nèi)涌連接段內(nèi)增設泵室閘門水泵，從西江引水，增強河涌水體流動性，使河涌南北主涌流動，最終流入順德河涌，排到外江，從而改善相關河涌水質(zhì)屬于近期工程計劃，增設新水泵的引水流量為6m3/s，滿足規(guī)劃引水的要求。工程規(guī)模為小(一)型，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物為4級，次要建筑物為5級，臨時性建筑物為5級。

1.2 特征水位

1.2.1 內(nèi)涌水位

九江內(nèi)河涌水位一般保持不低于0.50m，平時保持1.0m～1.5m，按南北主涌水位0.5m～1.5m、按設計引水流量6m3/s。相應水位:

(1)設計工況:引水內(nèi)涌設計運行水位為1.25m。

(2)校核工況:引水內(nèi)涌最高運行水位為1.50m。

1.2.2 外江水位

根據(jù)附近甘竹水文站資料統(tǒng)計，歷年最低水位平均值為－0.496m，為了提高引水保證率，則水泵前水位為－0.5m。

1.2.3 各種工況水位組合

(1)設計工況:外江泵前水位0.00m，相應內(nèi)涌水位取南北主涌控制水位1.25m。

(2)校核工況:外江泵前水位－0.5m，相應內(nèi)涌水位取南北主涌最高水位常水位1.50m。

1.3 工程地質(zhì)條件評價

(1)堤身下主要為稍壓實的筑填土(粉質(zhì)粘土)，堤基土主要為流塑狀的淤泥質(zhì)土、松散狀的粉砂，屬軟弱地基土。按?巖土工程勘察規(guī)范?(GB 50021－2001)的劃分，工程重要性等級為二級工程、場地等級為中等復雜場地、地基等級為中等復雜地基。

(2)場地內(nèi)的地下水主要賦水層為第四系砂土層，或淤泥質(zhì)土層內(nèi)砂土薄夾層，含水量較豐富，與河水有弱水力聯(lián)系。

(3)第3層粉砂平均K20＝5.70×10－5cm/s，屬弱透水性，含較多粉粘粒，易發(fā)生以管涌為主的滲透變形。各巖土層力學參數(shù)詳見表1。

表1 巖土層力學參數(shù)

2 工程總體布置設計

工程充分利用現(xiàn)有水利工程及河涌條件，結(jié)合現(xiàn)狀，因地制宜地進行全面的規(guī)劃和綜合治理。

2.1 工程總體布置

為了減少泵站對原有船閘正常運行的影響，泵站布置在船室與后閘首連接處，保留現(xiàn)有的擋土墻與后閘首，泵室內(nèi)布置門槽與工作橋，頂面設啟閉室，4臺水泵布置在閘門中間，為了減少垃圾對水泵的影響，在船閘前閘首的現(xiàn)有檢修門槽安裝攔污柵，管理室布置在船室旁邊，內(nèi)布置水泵啟閉設備。工程擬采用全貫流臥式電泵，考慮到不影響現(xiàn)有的船閘的運行，全貫流臥式電泵的對進水要求不高的特點，泵室采用開敞進水型式。工程布置平面圖如圖1。

圖1 活水泵站布置

主要建筑物布置如下:

(1)泵室的布置

為了減少泵站對現(xiàn)有船閘正常運行的影響，泵站布置在船室與后閘首連接處，保留現(xiàn)有的擋土墻與后閘首，新建泵室僅僅減少了船室的長度。

泵站的4臺700QGWZ－160J水泵布置在閘門中，水泵中心距離2.0m，考慮－0.5m水位引水需要，底板面高程為－2.40m。泵室采用單孔箱涵結(jié)構(gòu)，總長15m，寬度為11.4m～7.4m，底板厚600mm厚，頂板厚600m。泵室底板面高程與前后連接的船室底板高程一樣為－1.4m，中間通過1∶4.0降低到底板面最低點為－2.40m。頂板面高程為5.0m。泵室中間布置門槽，門槽兩側(cè)工作橋與檢修橋。

圖2 泵室縱剖面

(2)啟閉室的布置

泵室面高程5.00m，考慮水泵檢修，閘面要求提升到5.00m高程以上，所以上部設置啟閉室，閘面預留孔口，以備閘面和水泵通過，啟閉室內(nèi)安裝2×16t卷揚機，啟閉室底安裝1臺5t電動葫蘆方便水泵的檢修。

(3)攔污柵的布置

為了減少垃圾對水泵的影響，在船閘前閘首檢修門槽內(nèi)設置攔污柵，加建工作橋，考慮通航要求，攔污柵上部設置啟閉機，可以將攔污柵底部提升到4.0m高程以上，不會影響到船的進出。

(4)泵站控制室的布置

電氣設備布置在船室旁邊，設置單層廠房內(nèi)安裝水泵控制柜。廠房為尺寸為7m×5m。

2.2 主要水工建筑穩(wěn)定性計算及復核

(1)滲流穩(wěn)定分析

本階段采用允許滲徑系數(shù)法進行計算，即:

式中:L——滲徑長度(m)；△H——上下游水位差(m)；C——滲徑系數(shù)。

地質(zhì)鉆探顯示本工程建基面以下是淤泥質(zhì)壤土，根據(jù)?水閘設計規(guī)范?，壤土滲徑系數(shù)C＝3～5。本工程設計最高水位情況水位差最大△H＝1.500＋0.50＝2.00m，要求滲徑大于6.0m～10m。泵室計入齒墻后實際滲徑長度為15m，實際滲徑長度顯然滿足規(guī)范要求。

(2)泵室穩(wěn)定計算

泵室為聯(lián)合整體結(jié)構(gòu)，屬Ⅳ級建筑物，整體穩(wěn)定分析主要計算四種情況，即完建填土無水、設計排水情況、校核排水情況三種情況。計算結(jié)果如表2所示。

表2 泵室整體穩(wěn)定計算成果

根據(jù)?泵站設計規(guī)范?(GB 50265－2010)，4級建筑物土基的抗滑穩(wěn)定安全允許值為:荷載基本組合為1.20，荷載特殊組合Ⅰ為1.05，可見泵室的抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

本工程泵站天然地基為淤泥質(zhì)土，其地基承載力不滿足豎向荷載的要求，必須對基礎進行處理。

2.3 建筑基礎處理

根據(jù)地質(zhì)報告，各地建基面主要位于淤泥質(zhì)土，屬高壓縮性土層，該層承載力特征值為fak＝70kPa。泵室地基反力最大為75.75kPa，大于70kPa，所以本階段采用人工基礎處理。根據(jù)本工程實際，參照類似的基礎處理的經(jīng)驗，本工程的泵室為單體結(jié)構(gòu)，不存在沉降差的影響，對泵室閘室打木樁處理，樁長5m，尾徑100mm，樁體起到擠密，減少沉降的與增加承載力的效果。

泵室地基采用木樁基礎，單樁長5m，尾徑?＝100mm，木樁位于淤泥質(zhì)土厚5.0m(側(cè)阻力特征值取8kPa)，不考慮樁端承載力。單樁豎向承載力特征值為12.56kN。木樁基礎每0.5m×0.5m布設一根。

圖3 木樁基礎布置

根據(jù)?建筑地基處理規(guī)范?(JGJ 79－2002)，復合地基承載力按以下列公式估算:

式中:fspk為復合地基承載力特征值，kPa；m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值，kPa；AP為樁端截面積，m2；β為樁間土承載力折減系數(shù)，取0.80；fsk為處理后樁間土承載力特征值，無實驗成果時可取天然地基土承載力特征值。

根據(jù)以上公式，木樁復合地基承載力計算成果見表3所示。

表3 復合地基承載力估算成果

可以看出pk≤fspk，pkmax＝75.75kPa<1、2fspk，因此復合地基承載力滿足規(guī)范要求。

本工程泵站控制室為單層廠房，基底壓力不大，對地基承載力要求不高，參照類似的基礎處理的經(jīng)驗，泵站控制室采用筏板基礎。

3 電排站機組選擇

本工程設計揚程1.25m，最高揚程2.00m，均小于10m，揚程較低，水力損失小，結(jié)構(gòu)流道平直，故本工程水泵類型選擇及臥式軸流泵。根據(jù)上述基本資料，結(jié)合擬建場地，現(xiàn)階段可選用4臺QGWZ－160J型全貫流潛水泵與3臺700GQB－160一般貫流泵進行比較。其技術參數(shù)和要求如表4所示。

表4 初選方案參數(shù)

(1)方案一:700QGWZ－160J水泵

根據(jù)?機電排灌設計手冊?，水泵總水力損失△h＝△h1＋△h2＋△h3＝0.1017Q2。水泵裝置性能曲線如下:

1設計工況:H設計＝1.40＋0.1017Q2；

2最高工況:H校核＝2.00＋0.1017Q2。

圖4 700QGWZ－160J全貫流潛水電泵綜合特性曲線

將上述曲線疊加于水泵性能曲線圖上，從而求得水泵的工作點參數(shù)，詳見表5所示。

表5 700QGWZ－160J水泵機組工作點參數(shù)

(2)方案二:700GQB－160水泵

根據(jù)?機電排灌設計手冊?，水泵總水力損失△h＝△h1＋△h2＋△h3＝0.1017Q2。水泵裝置性能曲線如下:

1設計工況:H設計＝1.40＋0.1017Q2；

2最高工況:H校核＝2.00＋0.1017Q2。

圖5 700GQB－160泵綜合特性曲線

將上述曲線疊加于水泵性能曲線圖上，從而求得水泵的工作點參數(shù)，詳見表6所示。

表6 700GQB－160水泵機組工作點參數(shù)

從上述分析可知，兩個方案設計、最高、平均揚程工況水泵工作點基本在高效區(qū)運行，而且兩個方案水泵均基本能滿足設計流量及揚程要求。最終從泵站裝機流量及裝機容量來看，方案一較好，裝置效率較高，安裝檢修方便，土建結(jié)構(gòu)簡單，工程投資大為減少。而且由于水泵與電機同軸，運行平穩(wěn)，噪音小，使用壽命長。

水泵在結(jié)構(gòu)設計及施工中為滿足降低引水最低水位的要求，需降低底板高程，掛泵閘底板最低點設置為－2.4m，比上下游底板連接段降低1.0m，增加水泵吃水。

4 結(jié)論

本文從城市水系活化治理的角度出發(fā)，為改善南北主涌、十三灣主涌水質(zhì)，引入活水，增加英雄水系水量，增強水流動力，興建九江鎮(zhèn)沙口活水泵站工程，引水流量為6.0m3/s。泵站在方案對比論證的基礎上安裝4臺700QGWZ－160J型水泵，每臺電機功率65kW，總裝機容量260kW，實際總裝機流量6.0m3/s，可滿足規(guī)劃流量要求。工程建設后可實習水系溝通、活化水體，服務于該地區(qū)經(jīng)濟社會與生態(tài)建設。

本文主要研究基于城市區(qū)域水環(huán)境優(yōu)化的活水泵站工程設計與應用，該工程涉及海綿城市的應用，表現(xiàn)在引清釋污、活化水體與農(nóng)業(yè)灌溉等作用，后續(xù)應展開專項研究。